Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems

Sähkötekniikan koulutusohjelma

DIPLOMITYÖ

Raimo Konsti

LOISTEHON KOMPENSOINNIN JA YLIAALTOSUODATTIMIEN NYKYTILA SEKÄ KEHITYSKOHTEET KEMIRA CHEMICALS OY:N JOUTSENON TEHTAALLA

Työn tarkastajat: Professori Jarmo Partanen Tutkijaopettaja Jukka Lassila

Työn ohjaaja: Sähköautomaatiopäällikkö Tony Granqvist

Lappeenrannassa 2016

TIIVISTELMÄ

Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems Sähkötekniikan koulutusohjelma

Raimo Konsti

Loistehon kompensoinnin ja yliaaltosuodattimien nykytila sekä kehityskohteet Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalla

Diplomityö 2016

161 sivua, 30 kuvaa, 25 taulukkoa, 7 liitettä

Työn tarkastajat: Professori Jarmo Partanen Tutkijaopettaja Jukka Lassila

Työn ohjaaja: Sähköautomaatiopäällikkö Tony Granqvist

Hakusanat: loisteho, kompensointi, yliaallot, yliaaltosuodattimet, sähkön laadun mittaukset Keywords: reactive power, compensation, harmonics, harmonic filtering, power quality measurements

Tutkimuksessa käsitelty kemikaalitehdas on 110 kV:n kantaverkkoon liittyvä tehointensiivinen teollisuuslaitos. Prosessien käyttöön mukautetut sähkönjakeluverkon yliaaltosuodattimet ja niiden käyttökytkennät ovat tärkeässä asemassa loistehon tuoton hallitsemiseksi liittymän loistehoikkunaan ja riittävän yliaaltosuodatuksen järjestämiseksi häviöt minimoiden. Kohteena olleen kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta on viimeksi tutkittu vuonna 2003. Tämän jälkeen verkostokomponentit ovat ikääntyneet, prosessien käyttö sekä pienjänniteverkko ovat muuttuneet ja tehdasta käyttävät osittain eri henkilöt. Nykytilaselvitykselle ja verkon kehityskohteiden analysoinnille on tullut tarve edellisen selvityksen jatkoksi. Tutkimus painottuu vahvasti kenttämittauksiin, joiden perusteella sekä kirjallisuutta ja tehtaan järjestelmiä hyödyntäen määritetään loistehotasot verkon keskeisimmissä kohteissa pien-, keski- ja suurjännitetasoilla. Tutkimuksessa esitetään lipeätehtaan suotimien uudelleenjärjestely 4. yliaallon vähentämiseksi ja yksikkökoon pienentämiseksi.

Kantaverkon liittymäpisteen tilanne oli hyväksyttävä. Tutkimus esittää pienjännitekompensointia KF-4-100 keskukseen varayhteyden kapasiteettia lisäten.

Tutkimus tuotti yleistietoutta verkon käytöstä ja selvitti parhaat käyttökytkennät loistehoikkunan hallitsemiseksi ilman loistehokustannuksia.

ABSTRACT

Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems

Degree Programme in Electrical Engineering

Raimo Konsti

The current status and improvements of reactive power compensation and harmonic filtering in Kemira Chemicals Ltd. Joutseno plant

Master’s Thesis 2016

161 pages, 30 figures, 25 tables, 7 appendices

Examiners: Professor Jarmo Partanen

Associate Professor Jukka Lassila

Supervisor: Electricity & Automation Manager Tony Granqvist

Keywords: reactive power, compensation, harmonics, harmonic filtering, power quality measurements

The chemical plant researched in this study represents high power consuming industry connected to the national 110 kV main grid. Harmonic filters in the electricity distribution network have an important role in managing reactive power production in point of common coupling and providing sufficient harmonic filtering while minimizing losses. A reactive power compensation and harmonic filtering in this chemical plant was last researched in 2003. After that the compensating devices have aged, the process use and low voltage network has changed along with plant operating personnel. Based on the earlier investigations the current research was necessary to analyze network improvement needs. The research focuses on field measurements. Based on the measurements, literature and plant automation systems, the reactive power values in the essential network points were defined for low, medium and high voltage levels. The research suggests filter rearrangements in lye plant to reduce 4^th harmonic level. Status for the point of common coupling to the main grid was acceptable. The research suggests low voltage compensation to switchboard KF-4-100 to add capacity for backup distribution usage. The research produced general knowledge of network condition and solved the best configurations to manage reactive power range without reactive power costs.

ALKUSANAT

Diplomityö on tehty Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtaalle syksyn 2015 ja kevään 2016 aikana. Työ käsittelee sähkönjakeluverkon kompensointia ja yliaaltosuodatusta.

Haluan kiittää Kemiran henkilökuntaa ja erityisesti sähköautomaatio-osaston työntekijöitä sekä Tony Granqvistia työn ideoinnista ja mahdollistamisesta. Erityiskiitos kuuluu Jarmo Partaselle ja Jukka Lassilalle työn tarkastamisesta sekä erinomaisesta opetuksesta ja kannustavasta ilmapiiristä. Suurimmat kiitokset haluan osoittaa avopuolisolleni Annalle, joka on tukenut minua koko diplomityön ajan.

Lappeenrannassa 18.4.2016 Raimo Konsti

5 SISÄLLYSLUETTELO

1 JOHDANTO ... 10

1.1 Työn tausta ja rajaukset ... 10

1.2 Tutkimusmenetelmät ... 11

1.3 Kemira-konserni ... 11

2 LOISTEHO JA YLIAALLOT ... 13

2.1 Loisteho ... 13

2.2 Loistehon tekniset vaikutukset ... 14

2.3 Yliaaltojen määrittäminen ... 17

2.4 Loistehon ja yliaaltojen vaikutukset ... 20

2.4.1 Loistehomaksut ... 20

2.4.2 Yliaaltojen vaikutukset ... 22

2.4.3 Suuntaajien verkkovaikutukset ... 24

2.4.4 Resonanssitilanteet ... 25

2.5 Kompensoinnin määrittäminen ... 27

2.6 Sähkön laatuvaatimukset ... 29

3 SÄHKÖNJAKELU KEMIKAALITEHTAALLA ... 33

3.1 Rakenne ... 33

3.2 Päämuuntajat ... 36

3.3 Jakelumuuntajat ... 37

3.4 Tasasuuntaajamuuntajat ... 39

3.5 Mittamuuntajat ... 40

3.6 Kompensointi ja yliaaltosuodatus ... 42

3.7 Generaattorin verkkovaikutus ... 44

3.8 Prosessien käyttö ... 45

3.9 Verkon muutostarpeet ... 45

4 MITTAUKSET ... 47

4.1 Käytetyt menetelmät ja laitteet ... 47

4.2 Mittausjärjestelyt ... 49

4.3 Mittausajankohdat ... 49

5 TULOKSET ... 51

5.1 110 kV:n mittaukset ... 51

5.1.1 Päämuuntajien yhteisvaikutus ... 51

5.1.2 Lipeätehtaan seisakki ... 53

5.2 10 kV:n mittaukset ... 54

6

5.2.1 Tilanne enimmäisprosessivirroilla... 54

5.2.2 N1 seisakki ... 57

5.2.3 JMN-1 ... 58

5.2.4 Pumppaamo ... 60

5.2.5 Yliaaltosuodattimet ... 61

5.3 400 V:n mittaukset ... 63

6 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 65

6.1 Tulosten luotettavuus ... 65

6.2 Verkon liityntäpiste ... 66

6.3 Loistehotasapaino keskijänniteverkossa ... 69

6.4 Yliaaltosuodattimien toiminta ... 69

6.5 Verkon parannusehdotukset ... 71

6.5.1 Lipeätehtaan suodattimien järjestely ... 71

6.5.2 Pienjännitekeskuksien kompensointi ... 75

6.5.3 Automaatio ja paikallisnäytöt ... 76

6.6 Teknistaloudelliset verkkokytkennät ... 77

6.7 Pumppaamon kompensointi ... 80

6.8 Jakeluverkon tulevaisuuden tarpeet ... 81

7 YHTEENVETO ... 84

LÄHTEET ... 86 LIITTEET

LIITE 1 Psofometriset painotuskertoimet LIITE 2 110 kV:n mittaustulokset

LIITE 3 10 kV:n mittaustulokset LIITE 4 400 V:n mittaustulokset LIITE 5 Järjestelmätuloste 15.2.2016 LIITE 6 Psofometrisen virran laskenta LIITE 7 Järjestelmätuloste 26.11.2015

7 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO

%f Suhteessa perustaajuiseen arvoon

%r Suhteessa tehollisarvoon

C Kapasitanssi

cosφ Perustaajuinen tehokerroin

cosφ_kesk Perustaajuinen tehokerroin, vaiheiden keskiarvo

D Kokonaissäröteho

f Taajuus

f₁ Perustaajuus f_r Resonanssitaajuus

I Kokonaisvirran tehollisarvo I_- Vastakomponentti

I₊ Myötäkomponentti

I₁ Virran perusaallon tehollisarvo I_1n Nimellinen ensiövirta

I₂ Toisen yliaaltovirran tehollisarvo

I₂₋₁₅ Yliaaltovirran summa taajuudelta f*n, n={2,3,4,...15}

I₂₋₂₁ Yliaaltovirran summa taajuudelta f*n, n={2,3,4,...21}

I_2n Nimellinen toisiovirta I_DC Virran tasakomponentti I_m Mitattu virta

I_n Virran tehollisarvo taajuudella f*n I_nim Nimellisvirta

I_psofv Vaihevirran profometriarvo Iref Referenssivirta

I_zero Nollakomponentti

k Kerroin

K_häva Vuotuinen häviökustannus

kpsof Psometrinen painotuskerroin taajuudelle n*f1 Ksäh Sähköenergian hinta

L Induktanssi

n,H Järjestysluku

p Pulssiluku

P Pätöteho

P₀ Tyhjäkäyntihäviö

8 P₁ Perustaajuinen pätöteho

P_h Pätötehohäviöt P_hkok Kokonaishäviöt P_k Kuormitushäviöt

P_keskl Liittymän pätötehokeskiarvo P_kn Nimelliskuormitushäviöt P_m Mitattu pätöteho

P_y Päämuuntajien summapätöteho liittymäpisteessä Q Kokonaisloisteho

Q₁ Perustaajuinen loisteho

Q_aut Automaatiojärjestelmän loistehomittaus Q_c Kondensaattorin loisteho

Q_D Loissähkön ottoraja Q_D1 Loissähkön antoraja Q_h Loistehohäviö Q_m Mitattu loisteho Q_nim Nimellinen loisteho

Q_suht Käyttöjännitteeseen suhteutettu loisteho

Q_y Päämuuntajien summaloisteho liittymäpisteessä

R Resistanssi

R_k Oikosulkuresistanssi

r_k Suhteellinen oikosulkuresistanssi

S Näennäisteho

s0 Suhteellinen tyhjäkäyntiteho S₀ Tyhjäkäyntiteho

S1 Perustaajuinen näennäisteho Skv Induktiivinen oikosulkuteho Sn Nimellisteho

t Jaksonaika/ajanhetki th Vuotuinen huipunkäyttöaika U Kokonaisjännitteen tehollisarvo u(t) Jännitteen hetkellisarvo

U0 Tähtipiste-/nollajännite

U1 Jännitteen perusaallon tehollisarvo U1n Jännitteen nimellisarvo ensiöpiirissä U₂ Toisen yliaaltojännitteen tehollisarvo

9 U_2n Jännitteen nimellisarvo toisiopiirissä U_DC Jännitteen tasakomponentti

U_n Jännitteen tehollisarvo taajuudella n*f1 U_nim Nimellisjännite

U_psofv Vaihejännitteen profometriarvo W_h Vuotuinen energiahäviö

W_otto Ottoenergia vuodessa

X Reaktanssi

X_k Oikosulkureaktanssi

x_k Suhteellinen oikosulkureaktanssi z₀ Suhteellinen tyhjäkäynti-impedanssi Z_k Oikosulkuimpedanssi

z_k Suhteellinen oikosulkuimpedanssi α_n Jännitteen vaihekulma taajuudella n*f1 μ₀ Nollavirtamuuntajan muuntosuhde μ_v Vaihevirtamuuntajan muuntosuhde

φ Vaihe-ero

AKD Alkyl ketene dimer -liimauskemikaali

DC Tasasähkö

DPF Perustaajuinen tehokerroin

EN Eurooppalaisen CEN-järjestön vahvistama standardi IEEE Kansainvälinen standardoimisjärjestö

NaClO3 Natriumkloraatti

NaOH Natriumhydroksidi (lipeä) PF Kokonaistehokerroin

PFkesk Kokonaistehokerroin, vaiheiden keskiarvo

PWHD Painotettu harmoninen kokonaissärö suhteessa perustaajuuteen SFS Suomen Standardisoimisliitto SFS ry:n vahvistama standardi TDD Harmoninen kokonaisvirtasärö suhteessa nimellisarvoon THD-F Harmoninen kokonaissärö suhteessa perustaajuuteen, %f THDI Virran harmoninen särö

THDIkesk Virran harmoninen särö, vaiheiden keskiarvo

THD-R Harmoninen kokonaissärö suhteessa tehollisarvoon, %r THDU Jännitteen harmoninen särö

10 1 JOHDANTO

Joutsenossa toimivan Kemira Chemicals Oy:n kemikaalitehtaan sähkönjakeluverkko omaa juuret tehtaan alkuvuosilta nykyaikaan. Vuosikymmeniä toimineille tehtaille on luonnollista niiden jaksottainen kehittyminen investointien ja tarpeiden myötä, jolloin uusi laitteistoteknologia vaikuttaa verkossa samanaikaisesti koko teknologiakirjon kanssa.

Verkon kokonaisuutta tarkastellaan usein laitteistohankintojen yhteydessä tai aikavälein tehtävissä nykytilaselvityksissä. Nykytilaselvitys toimii pohjana laitteistohankinnoille sekä tuo tietoa verkon kunnosta ja soveltuvuudesta viimeisiin vaatimuksiin.

Sähkönjakeluverkkojen tärkeys korostuu teollisuudessa turvaten osaltaan tehtaan jatkuvan käytön. Liike-elämän muutoksen ja teknologian kehittyessä laitteilta odotetaan mahdollisimman turvallista, edullista, luotettavaa ja joustavaa käyttöä. Yksi verkoston merkitsevistä tekijöistä on sähkön laatu, johon vaikutetaan suoraan kompensointilaitteilla ja yliaaltosuodattimilla. Huomattavaa on, että sähkön laadun häiriöille herkkien laitteiden määrä lisääntyy samanaikaisesti mahdollisia häiriöitä tuottavien kanssa.

Tässä tutkimuksessa selvitetään kemikaalitehtaan loistehon kompensoinnin ja yliaaltoisuuden nykytila. Lisäksi esitetään teknistaloudellisesti edullisimmat jakeluverkon käyttötilat eri prosessiajomalleihin, parannusehdotuksia ja yleistä tietoutta. Tutkimuksessa huomioidaan myös lähitulevaisuudessa toteutettavat laiteinvestoinnit osana nykyverkkoa.

Tulokset toimivat esiselvityksenä mahdollisille tulevaisuuden hankinnoille. Tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta, kenttämittauksista sekä järjestelmädatasta.

1.1 Työn tausta ja rajaukset

Tehtaan sähkönjakeluverkon kompensointia on tarkasteltu viimeksi vuonna 2003, jolloin selvitettiin loistehotasot ja yliaaltoisuus mittaamalla päämuuntajien jälkeisistä 10 kV:n kojeistoista. Mittauksen perusteella verkkoon lisättiin 8. yliaallon suodatin. Kun verrataan nykytilannetta edelliseen, jakeluverkon komponentit ovat ikääntyneet sekä verkkoa operoivat henkilöt ovat osittain vaihtuneet. Lisäksi pienjänniteverkkoa on muokattu ja tehtaan tuotantoa käytetään erilaisilla prosessivirroilla. Myös tiedossa olevat uudet investoinnit on huomioitava osana verkkoa. Tutkimukselle on tullut tarve selvittää nykytilanne osana edellisen jatkoa.

11

Tutkimukseen on tehty rajauksia. Tutkimuksen kokeellisessa osuudessa ei mitata koko verkostoa päämuuntajatasolta päättyen kaikkiin pienjännitekeskuksiin. Rajaus asetetaan keskijännitetasolle sisältäen kuitenkin merkittävimmät suuritehoiset pienjännitelähdöt.

Lisäksi standardin SFS-EN-50160 mukaisia sähkön laadun seikkojen tarkastelu kohdennetaan harmonisten yliaaltojen ja loistehon hallintaan. Tutkimuksessa tehdään laskentaa verkon eri laitteisiin yksikkötasolla huomioiden kokonaisvaikutukset.

1.2 Tutkimusmenetelmät

Tutkimusongelmana on selvittää verkon tehomäärät keski- ja suurjännitetasolta sekä kompensointilaitteiden soveltuvuus nykykäyttöön huomioiden sähkön laadun kriteerit.

Tutkimuskysymykset ovat ”miten selvittää kohteen sähkönjakeluverkon kompensointi ja yliaaltotaso?” ja ”miten järjestetään kompensointi- ja yliaaltosuodatuslaitteet tuottamaan loisteho määritettyyn loistehoikkunaan sekä standardin SFS-EN-50160 vaatimukset täyttäväksi?” Päähypoteesina on ”nykyisten yliaaltosuodattimien yksikkömuutoksilla ja uudelleensijoittelulla saavutetaan riittävä teknistaloudellinen ratkaisu nykykäyttöön”.

Tutkimus koostuu kirjallisuusosiosta, tehtaan järjestelmästä kerätystä numeerisesta tiedosta ja kokeellisista mittauksista tehtaan kojeistoissa. Kenttämittaukset tehtiin lokakuun 2015 ja helmikuun 2016 välisenä aikana. Suoritustapa noudattaa tunnettua mittaustapaa kojeistojen mittamuuntajia hyödyntäen (IEC 2003, 55, 57). Tulokset verifioidaan menetelmätriangulaatiolla sekä niille suoritetaan reliaabeliustarkastelua.

Menetelmät esitetään riittävän syvällisesti, jotta mittaukset ovat toistettavia. Tuloksiin suoritetaan herkkyystarkastelua sekä esitetään vaikuttavat virhetekijät. (Eskelinen &

Karsikas 2012.)

1.3 Kemira-konserni

Kemira Oyj on 40 maassa toimiva kansainvälinen kemianyhtiö, jonka asiakkaita ovat runsaasti vettä käyttävät teollisuudenalat. Yhtiö tarjoaa palveluja sekä kemikaaliyhdisteitä tehostamaan veden, energian ja raaka-aineiden käyttöä. Asiakkaita ovat massa- ja paperiteollisuus, öljy-, kaasu- ja kaivosteollisuus sekä kunnallinen ja teollinen vedenkäsittely. Vuonna 2014 henkilöstöä oli 4250 ja liikevaihto 2,1 miljardia euroa. Yhtiön pääkonttori sijaitsee Helsingissä. (Kemira 2015a.)

12

Konsernin liiketoiminta on jakautunut kolmeen eri maailmanlaajuisesti toimivaan segmenttiin. Pulp & Paper -segmentti kohdistuu massa- ja paperiteollisuuteen, jonka tuotteina ovat kemialliset ratkaisut massan- ja paperinvalmistusprosessiin sekä veden käsittelyyn. Oil & Mining -segmentti tuottaa kemikaaleja sekä sovellusosaamista öljy- ja kaivosteollisuuden parempaan tuotantotekniikkaan. Lisäksi räätälöidyt erotusprosessit tehostaa veden hallintaa ja uudelleenkäyttöä. Kolmannen Municipal & Industrial - segmentin asiakkaat ovat yhdyskuntia ja teollisuutta, jossa Kemiran tuotteita käytetään vedenpuhdistukseen sekä veden- ja lietteenkäsittelyyn. (Kemira 2015b; Kemira 2015c;

Kemira Chemicals 2015a.)

Osana konsernia olevan Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon toimipaikan historia ulottuu vuoteen 1976. Toiminta on aloitettu Finnish Chemicals Oy:nä ja yhtiö siirtyi Kemiran omistukseen vuonna 2005. Tehdas on osa Pulp & Paper -segmenttiä ja työllistää noin 70 henkilöä. Tuotteita ovat natriumkloraatti, natriumhydroksidi, suolahappo, natriumhypokloriitti, AKD-emulsio ja vety. (Kemira Chemicals 2015a.)

Kuva 1.1. Tehtaan raaka-aineet ja elektrolyysiprosessien tuotteet (Kemira Chemicals 2015a).

Kuvassa 1.1 esitetään elektrolyysiprosessien tuotteet ja niiden tarvitsemat raaka-aineet vesi, suola ja sähkö. Toimipaikalla on myös FC Power Oy:n omistama vetyvoimalaitos, joka tuottaa sähkön lisäksi kaukolämpöä. (Kemira Chemicals 2015a.)

13 2 LOISTEHO JA YLIAALLOT

Sähkön siirto- ja jakeluverkkojen päätehtävään kuuluu koneissa työtä tekevän pätötehon siirto tuottajalta kuluttajalle. Lisäksi vaihtosähköverkoissa vaikuttaa teknisistä ominaisuuksista muodostuva loisteho, joka on yksi keskeisistä hallittavista seikoista.

Loistehotasapainon ylläpito on jatkuva tehtävä sähköverkkoyhtiöille, teollisuuslaitoksille ja sähkön tuottajille, joiden käyttämät tekniset ratkaisut muodostuvat tapauskohtaisesti riippuen tarkastellaanko jakelu- vai siirtoverkkoja. Yleisesti käytetään termiä kompensointi, kun loistehomäärää hallitaan verkosta. Kompensointiin yhdistetään myös yliaaltojen käsite, joka on sähköverkoille haitallinen ilmiö.

Tässä luvussa kuvataan loistehon sekä yliaaltojen syntymekanismit, niiden ominaispiirteet ja määrittäminen verkoista. Lisäksi esitetään yleisesti käytössä olevia teknisiä ratkaisuja, hallintakeinoja ja sähkön laatuun vaikuttavia standardeja. Tutkimuksessa toteutetut laskelmat perustuvat tässä luvussa esitetyille menetelmille.

2.1 Loisteho

Vaihtosähköpiirissä ominaispiirteenä on jännitteen amplitudin vaihtelu jaksoittain nollasta huippuarvoon. Kun sähköpiiriä kuormitetaan resistiivisellä kuormalla, kuten lämpövastuksella, virran ja jännitteen amplitudit ovat samanaikaisia. Tilanne muuttuu lisättäessä sähköpiirin reaktiivinen kuorma, joita ovat esimerkiksi kondensaattori ja ilmajohdot. Näissä virran ollessa jännitettä ajallisesti edellä kuorma käsitetään kapasitiiviseksi. Induktiivisen kuorman tapauksessa tilanne on päinvastoin, virta on ajallisesti jännitettä jäljessä. Induktiivisia kuormia ovat esimerkiksi moottorit, muuntajat, tasasuuntaajat ja loistelamput. (Hietalahti & Tarkka 2006, 37−38.)

Induktiivisen loistehon taustalla on kelassa läpikulkevan virran synnyttämä magneettikenttä, johon varastoituu energiaa hidastaen virrannousua. Kelalla on kyky vastustaa sen läpi kulkevan virran muutosta. Induktiivinen loisteho kuluu moottoreissa ja muuntajissa magneettikentän ylläpitoon. Kapasitiivinen loisteho varastoi energian sähkökenttään, joka hidastaa jännitteen nousua. Kapasitiivista loistehoa tuottavat näin ollen ilmajohdot ja maakaapelit, joissa varaus muodostuu vaihejohtimien sekä vaiheiden ja maan väliin. Kapasitiivinen loisteho tuotetaan yleensä kondensaattoreilla. (Hietalahti &

Tarkka 2006, 128−134; Aura & Tonteri 1996b, 261.)

14

Vaihtosähköpiirille on ominaista, että se sisältää yhden tai useamman jaksonajaltaan erilaisen jännite- tai virtakomponentin. Loistehoa syntyy, kun jännite- ja virtakomponentin jaksot ovat eriaikaisia, jolloin niiden väliin syntyy vaihe-eroa φ. Jaksonajan t käänteisluku on taajuus f. Suomessa sähköverkon nimellistaajuus on 50 Hz, joka voidaan käsittää myös perustaajuudeksi f₁. Verkossa esiintyvät muut taajuudet ovat tyypillisesti perustaajuuden kerrannaisia. (Hietalahti & Tarkka 2006, 9; Hietalahti et al. 2006, 9−11.) 2.2 Loistehon tekniset vaikutukset

Yksivaiheisessa sähköjärjestelmässä kokonaiskuormittavuutta kuvaava näennäisteho S muodostuu jännitteen U ja virran I tehollisarvojen tulosta. Näennäistehon ohella merkintä S tarkoittaa myös nimellistehoa, jota käytetään esimerkiksi kulutuskojeen ottotehon ilmoittamiseksi. Verkostokomponenttien mitoituksessa tärkeä lähtötieto on kokonaisvirta, jonka perusteella voidaan valita riittävän virrankestoisuuden omaavat komponentit.

Symmetrisessä kolmivaihejärjestelmässä kokonaisvirta muodostuu näennäistehon ja pääjännitteen tehollisarvojen avulla yhtälön 2.1 mukaisesti. (Mäkelä et al. 2008, 128.)

jossa

I = päävirta [A]

S = näennäisteho [MVA]

Unim = nimellinen pääjännite [V]

Näennäisteho voidaan muodostaa myös resistiivisten komponenttien pätötehosta P ja reaktiivisten komponenttien loistehosta Q. Mikäli sähköjärjestelmässä esiintyy loistehoksi laskettavaa särötehoa D, kokonaiskuormittavuus nousee. Näennäistehon yhtälössä 2.2 kokonaispätö-, lois- ja särötehoina voidaan käyttää myös niiden vaihekohtaisten lukujen summaa. (Hietalahti et al. 2006, 16−18.)

jossa

P = kokonaispätöteho [W]

Q1 = perustaajuinen loisteho [MVAr]

D = säröteho (loistehoa) [MVAr]

15

Yleisesti pätötehon suhdetta näennäistehoon kuvataan tehokertoimella cosφ tai DPF, jotka käsittävät vain perustaajuisen jännite- ja virtakomponentin yhtälön 2.3 mukaisesti.

Sähköverkossa mahdollisesti esiintyvät haitalliset yliaaltotaajuudet jäävät kuitenkin huomioimatta, jolloin perustaajuinen tehokerroin ei anna riittävää kokonaiskuvaa.

Kokonaistehokerroin PF sisältää edellisten lisäksi myös muut taajuudet rajatusti. Yhtälö 2.4 esittää kokonaistehokertoimen määrittämisen kokonaispätötehon ja kokonaisnäennäistehon avulla. Kun tehokerroin on yksi, siirretään vain pätötehoa.

(Hietalahti et al. 2006, 16−18.)

jossa

cosφ = DPF = perustaajuinen tehokerroin P₁ = perustaajuinen pätöteho [W]

S₁ = perustaajuinen näennäisteho [MVA]

PF = kokonaistehokerroin P = kokonaispätöteho [W]

S = kokonaisnäennäisteho [MVA]

Esimerkiksi jänniteyliaaltojen tapauksessa standardi SFS-EN-50160 huomioi harmoniset taajuuskerrannaiset 40. yliaaltoon saakka (Hietalahti et al. 2006, 21). Huomattavaa on, että yleisesti asiayhteydestä riippuen saatetaan tehona käsittää vain perustaajuista tehoa tai kokonaistehoa. Tässä tutkimuksessa käytetään kokonaispätötehoa, ellei muuta mainita.

Loistehoa tuottavia laitteita ovat sarja- tai rinnakkaiskondensaattorit, tahtigeneraattorit ylimagnetoituna ja aliluonnollisella teholla käyvät johdot. Loistehoa kuluttavia laitteita ovat moottorit, muuntajat, tasasuuntaajat, purkausvalaisimet, rinnakkaisreaktorit ja yliluonnollisella teholla käyvät johdot. Loistehotasapainolla vaikutetaan suoraan verkonosassa vaikuttavaan jännitteeseen siten, että loistehoa tuottavat laitteet nostavat jännitettä ja vastaavasti sitä kuluttavat laitteet laskevat jännitettä. (Elovaara & Haarla 2011, 374−375.)

16

Edellä esitetyistä seikoista havaitaan loistehon lisäävän kuormitusta kasvattaen verkostokomponenttien mitoitusvaateita. Kompensoimalla uutta tai olemassa olevaa verkkoa siirtojohtimien virtaa vähennetään kasvattaen samalla pätötehon siirtokapasiteettia. Myös johtimien ja muuntajien virtalämpöhäviöt vähenevät sekä lisäksi ehkäistään niiden eristyksessä muodostuvien korkean lämpötilan pisteiden syntymistä (Lakervi & Partanen 2012, 33). Kiteytetysti loisteho tulisi kompensoida mahdollisimman lähellä kulutuspistettä.

Johtimissa ja muuntajissa syntyy niiden pitkittäisresistansseissa pätötehohäviöitä virran neliössä yhtälön 2.5 mukaisesti. Vastaavasti johtimien loistehohäviö määritetään yhtälössä 2.6 johtimen pitkittäisreaktanssin avulla. Johtimien poikittaiskapasitanssi tuottaa loistehoa mutta sen osuus lyhyiden kaapelipituuksien teollisuusjakeluverkoissa on vähäinen. Kaapelin loistehotuotto lasketaan sen suskeptanssin ja pääjännitteen neliön tulona. (Lakervi & Partanen 2012, 34).

jossa

Ph = kolmivaiheinen pätötehohäviö R = johtimen resistanssi

Qh = kolmivaiheinen loistehohäviö X = johtimen reaktanssi

Muuntajan kuormitushäviön määrittämiseksi käytetään kilpitiedoissa olevaa nimelliskuormitushäviötä P_kn. Kun muuntajan nimellisarvo ja tarkasteltava kuormitusarvo tiedetään, voidaan muuntajan kuormitushäviö laskea yhtälöstä 2.7. Edellä esitetyt häviöiden yhtälöt tarkastelevat tiettyä haluttua hetkeä. Vuotuinen energiahäviö W_h voidaan laskea tuntemalla tarkasteltavan kaapelin tai muuntajan vuosittainen huipunkäyttöaika t_h. Näiden avulla voidaan määrittää vuotuinen häviökustannus energiahäviön ja sähkön hinnan tulona yhtälön 2.8 mukaisesti. (Lakervi & Partanen 2012, 34−35).

jossa

P_k = kuormitushäviöt [W]

I_n = nimellisvirta [A]

P_kn = nimelliskuormitushäviöt [W]

17 K_häva = vuotuinen häviökustannus [€/a]

P_hkok = kokonaishäviöt [MW]

t_h = häviöiden huipunkäyttöaika [h/a]

K_säh = sähköenergian hinta [€/MWh]

Tutkimuksessa kohteena olevassa teollisuusverkossa prosessin käyttö on käytännössä keskeytymätön. Keskijännitelähdöstä riippuen häviöiden huipunkäyttöaika voi vastata vuoden laskennallista tuntimäärää (8760 h). Lisäksi muuntajan kilpitiedoissa annetun tyhjäkäyntihäviön P₀ avulla voidaan määrittää vuotuinen tyhjäkäyntihäviöiden energiakustannus edellä esitettyjen yhtälöiden avulla. (Lakervi & Partanen 2012, 35).

2.3 Yliaaltojen määrittäminen

Sähköjärjestelmät on suunniteltu toimimaan 50 Hz:n (tai 60 Hz:n) perustaajuudella sinimuotoisella jännitteellä ja virralla. Yliaallot ovat perustaajuudesta poikkeavia jännite- tai virta-aaltoja, jotka muodostavat verkolle haitallista perusaaltoa vääristävää säröä.

Yliaallot voivat olla epäharmonisia tai harmonisia perustaajuuden kerrannaisia. Yliaallot syntyvät, kun epätäydellisessä verkossa on epälineaarisia kuormia, toisin sanoen siniaallosta poikkeavia kuormia. Jännitesärö syntyy, kun yliaaltovirrat kulkevat verkon impedanssin läpi aiheuttaen jännitehäviötä. Huomattavaa on, että lineaarinenkin kuorma voi aikaansaada yliaaltovirtoja jos verkossa on jännitesäröä. (Hietalahti et al. 2006, 26−27.)

Järjestelmässä vallitsevat jaksolliset jännite- tai virta-aallot voidaan erottaa perustaajuudesta omiksi taajuuskomponenteiksi, jotka voidaan käsitellä matemaattisesti sinimuotoisina suureina Fourier’n sarjakehitelmän avulla yhtälön 2.9 tavoin. Yhtälö määrittää jännitteen ajanhetkellä t, jossa komponentit ovat määritelty amplitudin ja vaihekulmansa avulla. Käsiteltäessä harmonisia taajuuksia, yhtälön kerroin n on kokonaisluku (1, 2, 3 ...). (Hietalahti et al. 2006, 26; Hietalahti & Tarkka 2006, 239.)

jossa

u(t) = jännitteen hetkellisarvo

UDC = jännitteen hetkellisarvojen pitkäaikainen keskiarvo eli tasakomponentti U_n= jännitteen tehollisarvo taajuudella n*f₁

f1 = perustaajuus (50 Hz / 60 Hz)

18 t = ajanhetki

α_n = jännitteen vaihekulma taajuudella n*f₁

Edellä esitettyä yhtälöä voidaan soveltaa myös virran hetkellisarvon määrittämiseen ajanhetkelle t. Sarjakehitelmä sisältää tasajännite- ja perusaaltokomponentin sekä yliaaltokomponentit (2*f₁, 3*f₁, 4*f₁ jne.). Teoriassa yliaaltoja voi olla ääretön määrä mutta käytännössä niiden voimakkuus pienenee merkittävästi kertaluvun kasvaessa. Käytännön sovelluksissa yliaallot huomioidaan tapauskohtaisesti riittävään kertalukuun asti.

Yksittäisten yliaaltojännitteiden tai -virtojen tehollisarvojen perusteella saadaan kokonaisarvo yhtälöiden 2.10 ja 2.11 mukaisesti. Kokonaisarvo tarkentuu, mitä enemmän komponentteja sijoitetaan yhtälöön. (Aura & Tonteri 1996b, 220−221; Hietalahti et al.

2006, 12.)

jossa

U = jännitteen tehollisarvo

U_DC = jännitteen tasavirtakomponentti U₁ = jännitteen perusaallon tehollisarvo U₂= toisen yliaaltojännitteen tehollisarvo

U_n = yliaaltojännitteen tehollisarvo taajuudella f*n I = virran tehollisarvo

I_DC = virran tasavirtakomponentti I₁ = virran perusaallon tehollisarvo I₂= toisen yliaaltovirran tehollisarvo

I_n = yliaaltovirran tehollisarvo taajuudella f*n

Käytännössä sähköverkon tilannetta tarkastellaan harmonisen kokonaissärön (THD) avulla, mikä on yksi keskeisimmistä sähkön laadun tekijöistä siirto- ja jakeluverkoissa.

Kansalliset hyväksyttävät rajat on määritelty standardissa SFS-EN-50160. Yhtälöt 2.12−2.14 määrittävät harmonisen kokonaissärön jänniteyliaaltojen avulla mutta soveltuvat vastaavasti myös virtayliaalloille. Tarkastelu voidaan tehdä laskennallisesti tai mittaamalla suoraan verkosta soveltuvan analysaattorin avulla. (Hietalahti et al. 2006, 29.)

19

jossa

THD = jännitteen (/virran) harmoninen kokonaissärö

Harmoninen kokonaissärö voidaan määrittää suhteessa perustaajuiseen aaltoon THD−F sekä suhteessa tehollisarvoon THD−R yhtälöiden 2.13 ja 2.14 mukaisesti (Hietalahti et al.

2006, 29). Tarkastelutapa valitaan kohteen mukaisesti, esimerkiksi suhteutusta perustaajuuteen käytetään verkon yliaaltoisuuden vertaamiseksi standardissa SFS-EN- 50160 sallittuihin arvoihin (SFS 2010, 10). Monet mittalaitteet näyttävät samanaikaisesti kokonaistason sekä yksittäiset yliaaltojännitteet tai -virrat, jolloin suhteutusta tehollisarvoon voidaan hyödyntää esimerkiksi yliaaltosuodattimen virranjakoa tarkasteltaessa taajuuden funktiona.

jossa

THD−F = harmoninen kokonaissärö suhteessa perustaajuiseen jännitteeseen (/virtaan)

THD−R = harmoninen kokonaissärö suhteessa jännitteen (/virran) tehollisarvoon

Muita yleisiä yliaaltoisuuden tarkastelutapoja ovat yliaaltojen suhteutus laitteen nimelliseen ottovirtaan IL (TDD), mikä esitetään yhtälössä 2.15. Tällöin esimerkiksi uuden laitteiston tuoma verkkovaikutus voidaan arvioida eri kuormitusvirroilla. (IEEE, 2014.)

jossa

TDD = harmoninen kokonaissärö suhteessa nimellisvirtaan

PWHD = painotettu harmoninen kokonaissärö suhteessa perustaajuuteen

20

Kokonaissäröä voidaan myös painottaa, valitsemalla yhtälöön 2.16 vain ylempiä yliaaltoja n=14−40. Tällöin käytetään termiä PWHD painotettu harmoninen kokonaissärö suhteessa perustaajuuteen (Das 2015, 40).

2.4 Loistehon ja yliaaltojen vaikutukset

Loisteholla on aiemmin kuvattu häviöitä ja pätötehon siirtokapasiteettia heikentävä vaikutus, mikä ohjaa kompensointiin mahdollisimman lähelle kulutuspistettä. Näin loisteho siirtyy vain sen kulutus- ja tuotantolaitteiston välillä. Tämä on myös sähköyhtiöiden tavoite ja loistehon siirrolle onkin määritelty ilmaisosuus, jonka ylittävästä osuudesta veloitetaan.

Verkkoon liittyjän tehtävänä on kompensoida laitteisto määrättyyn loistehoikkunaan ja siirto- ja jakeluverkkoyhtiöt huolehtivat osaltaan verkkonsa kompensoinnista vastaten kansallisen sähköjärjestelmän optimaalisesta käytöstä. (Hietalahti et al. 2006, 29; Fingrid Oyj, 2015a).

2.4.1 Loistehomaksut

Tehointensiiviset teollisuusasiakkaat liittyvät suoraan kantaverkkoon, jossa liittyjän loissähkön toimitusta ja käyttöä valvoo Fingrid Oyj. Kantaverkkoyhtiön hinnoittelumallissa vuosille 2016−2019 on porrastettu voimaantulo, jossa vuodelle 2016 ei aseteta loissähkön siirtomaksua. Vuodesta 2017 alkaen loisenergian maksu on 5 €/MVArh ja lisäksi loissähkön siirtomaksu kasvaa lähivuosina. Vuodelle 2017 siirtomaksu on 333 €/MVAr, vuodelle 2018 666 €/MVar ja vuodelle 2019 1 000 €/MVar. Loissähkön kulutusmaksuille on asetettu lievennyksiä poikkeustilanteisiin. Esimerkiksi teollisuusasiakkaan pyynnöstä yli 0,5 MVAr kompensointiyksikön vikaantuminen huomioidaan loissähkön otosta (tai annosta) enimmillään yhden viikon ajaksi. Esimerkiksi asiakkaan verkon kytkentämuutoksista johtuvaa hetkellisiä ylityksiä sallitaan, käytännössä laskutuksessa ei huomioida 50 itseisarvoltaan suurinta loissähköikkunan ylitystä kuukautta kohden. (Fingrid Oyj, 2015b; Fingrid Oyj, 2015c.)

21

Kuva 2.1. Loissähkömaksun määräytyminen (Fingrid Oyj, 2015b).

Kuva 2.1 esittää loistehoikkunaa ja maksun määräytymistä, jossa Pm ja Qm ovat mitattuja tehoja. Otto- ja antorajat määräytyvät sen mukaan kuluttaako vai tuottaako asiakas pätötehoa liittymispisteessä. Tarkasteltaessa teollisuusasiakasta, joka on vain pätötehon kuluttaja, loissähkön otto- ja antorajoihin pätee kaksi ehtoa: 1) Kantaverkosta otettu loisteho on 16 % pätötehosta ja annettu loisteho -4 % pätötehosta. 2) Vaihtoehtoisesti enimmäisrajat lasketaan yhtälöiden 2.17 ja 2.18 mukaisesti. (Fingrid Oyj, 2015b).

jossa

Q_D = loissähkön ottoraja [MVAr]

W_otto = liittymäpisteen ottoenergia vuodessa [MWh]

t_k = huipunkäyttöaika [h]

QD1 = loissähkön antoraja [MVAr]

Teollisuusasiakkaan esimerkkiä jatkaen valitaan vuotuiseksi liittymäpisteen energiaksi 550 000 MWh. Kun laskennassa käytetyn prosessiteollisuuden huipunkäyttöaika on 7 000 tuntia, loissähkön ikkunaksi sekä enimmäisrajoiksi saadaan induktiivista ottotehoa QD = 12,6 MVAr ja kapasitiivista antotehoa Q_D1 = -3,1 MVAr (Fingrid Oyj, 2015b). Sisällyttäen lukemiin varmuusmarginaalia esimerkin teollisuusasiakas voisi ohjeistaa sisäisen jakeluverkon käytön loistehoikkunaan -2,5−12 MVAr.

22 2.4.2 Yliaaltojen vaikutukset

Yliaaltoja synnyttäviä laitteita ovat muun muassa suuntaajakäytöt, hakkuriteholähteet, valokaariuunit, puolijohdekytkimet ja -säätimet, energiansäästölamput, hitsauslaitteet sekä yksivaiheiset kodin ja toimistojen elektroniikkalaitteet. Yliaaltoja voi aiheuttaa myös vikaantuneen muuntajan löystynyt rautasydän tai moottorin poikkinaiset sauvat. (Hietalahti et al. 2006, 30.) Kuva 2.2 havainnollistaa sähkön laadun analysaattorin näyttämää tapauksessa, jossa kahden tasasuuntaajayksikön summavirta on säröytynyt aiheuttaen virtayliaaltoja voimakkaimmin viidennelle ja seitsemännelle yliaallolle.

Kuva 2.2. Erään kuusipulssisuuntaajan jännite- ja virtakäyrät 10 kV:n lähdöstä.

Yliaaltojen aiheuttamia haittoja ovat jakeluverkon komponenttien kuormitettavuuden alentuminen tai niiden ylikuormittuminen, resonanssitilanteet sekä pien- ja suurtaajuisien häiriöiden muodostuminen. Haittavaikutukset voivat ilmetä yliaaltopitoisessa verkossa paikallisesti tai kauempana jakeluverkon osissa yhdessä muiden käyttäjien yliaaltojen kanssa. Syy tähän on jännitteen säröytyminen, mikä aiheuttaa kuormituksen kasvua laitteiden ottovirtaan muodostuvien ei-perustaajuisten virtakomponenttien myötä.

(Hietalahti et al. 2006, 30, 43.)

Yliaaltojen toteaminen verkosta vaatii käytännössä sähkön laadun analysaattorin avulla tehtäviä mittauksia. Haittavaikutukset voivat ilmetä pahimmillaan laitteiden vaurioina mutta yleensä muutoksena verkon komponenttien kuormituksessa tai normaalista poikkeavina virhetoimintoina. Pientaajuiset yliaallot ovat merkityksellisiä verkostokomponenttien ja sähkölaitteiden kuormitettavuuden muutoksissa, lämpiämissä ja osoitinlaitteiden sekä suojareleiden virhetoiminnoissa. Ääni-, radio- ja tv-taajuuksille leviävät suurtaajuiset yliaallot ovat yleensä virhetoimintojen aiheuttajia ja vaikeampia jäljittää. (Hietalahti et al.

2006, 30−31; Jaatinen 1991, 20−22.)

23

Pienjännitekeskuksissa oleva perustaajuinen symmetrinen kolmivaihekuormitus ei aiheuta nollajohtimeen paluuvirtaa ja epäsymmetriatapauksessa enimmäiskuorma vastaa eniten kuormittunutta vaihetta. Kuitenkin kolmella jaolliset harmoniset yliaallot (3., 6., 9.) voivat aiheuttaa nollajohtimeen kaikkien kolmen vaiheen yliaaltovirtojen summautumista.

Huomioitavaa on, että nollajohdinta ei yleensä ole sulakesuojattu ja tapauskohtaisesti nollajohtimen poikkipinta voi olla pienempi kuin vaihejohtimien, joten ylikuormitustilanne on mahdollinen. (Elovaara & Haarla 2011, 448−451.)

Yliaalloilla on teollisuudessa käytettyihin epätahtimoottoreihin vaikuttavia ominaisuuksia.

Moottoreille aiheutuu termistä rasitusta, tahti- ja epätahtimomentteja sekä tärinä- ja ääni- ilmiöitä. Yliaallot vaikuttavat moottorin magneettikenttien muodostumiseen myötä-, vasta- ja nollakomponenttien muodossa. Myötäkomponentit aiheuttavat moottoriin ylimääräistä lämpenemää, mikä aiheuttaa perustaajuisen virran sekä positiivista symmetristä komponenttia vastaavien yliaaltovirtojen summautumisen. Negatiivinen symmetrinen komponentti eli vastakomponentti aiheuttaa moottorin lämpenemän lisäksi varsinaista työtä tekevän momentin heikkenemistä. Nollakomponenttia edustavat yliaallot eivät vaikuta moottoriin mutta lisäävät nollajohtimen kuormitusta. Taulukko 2.1 esittää komponenttien vaikuttavuutta yhdeksänteen yliaaltoon saakka. Teollisuusverkoissa tyypillisesti esiintyvät viides ja seitsemäs yliaalto aiheuttavat edellä kuvattua lämpenemistä erityisesti suorien moottorikäyttöjen tapauksessa. (Elovaara & Haarla 2011, 448−451.)

Taulukko 2.1. Yliaaltojen luokitusmalli kolmivaiheiselle symmetriselle kuormalle.

Yliaalto [n] 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Taajuus [Hz] 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Komponentti + - 0 + - 0 + - 0

Yliaallot lisäävät tehomuuntajien kuormitusta ja kulkeutuvat loistehon tavoin muuntajan läpi. Kuitenkin muuntajan reaktanssi kasvaa taajuuden kasvaessa, jolloin verkolla on luonnollinen tapa vaimentaa yliaaltovirtoja. (Hietalahti et al. 2006, 71, 74). Mikäli kolmikerrannaisyliaallot ovat symmetrisiä joka vaiheessa, ne eivät mene tyypillisen Dy- kytkentäisen 20/0,4 kV:n jakelumuuntajan läpi ylemmän jännitetason verkkoon (Elovaara

& Haarla 2011, 449).

24

Verkon jännitteen tai kuormitusvirran tasakomponentti U_DC on yliaaltojen erikoistapaus.

Tasakomponenttia aiheuttavat merkittävästi puoliaaltotasasuuntaus, puoliksi ohjatut puolijohdesillat ja niiden ohjauskulmavirheet sekä vioittuneet puolijohdekäytöt.

Tasakomponentilla on muuntajaa kyllästävä vaikutus, missä vähäinenkin tasajännite aikaansaa muuntajassa suuren virran, koska käämien resistanssi on pieni.

Kuormitushäviöiden on mitattu kasvavan 10 % kun tasakomponentti on ollut 2 % muuntajan toision nimellisvirrasta. (Hietalahti et al. 2006, 35−36; Elovaara & Haarla 2011, 448.)

2.4.3 Suuntaajien verkkovaikutukset

Verkkokommutoiduissa suuntaajissa diodit toimivat kytkinkomponentteina johtaen tehoa verkon tahdissa. Tällöin sytytyskulmaa ei säädetä tyristoreiden tapaan vaan diodien johtamisen määrää syöttävä verkko. Verkkokommutoitu suuntaaja muodostaa suorakaiteen mukaisia virtapulsseja, kun suuntaajan tuottama tasavirta on täysin suodatettu. Näin ollen suuntaajan aiheuttamien virtayliaaltojen muodostuminen on laskettavissa teoreettisesti suuntaajan pulssilukuun perustuvasta yhtälöstä 2.19.

Kuusipulssitasasuuntaajan aiheuttamat voimakkaimmat virtayliaallot ovat 5., 7., 11. ja 13.

kerrannaiset. (Aura & Tonteri 1996a, 426−427; Aura & Tonteri 1996b, 410−411.)

jossa

n = yliaaltovirran järjestysluku p = suuntaajan pulssiluku

k = kokonaislukukerroin (0, 1, 2, 3, …)

Suuntaajaa voidaan pitää yleisesti yliaaltovirtalähteenä. Virtayliaaltosisältöön vaikuttaa suuntaajan pulssiluku mutta syöttöverkon virran muotoa voidaan parantaa valitsemalla muuntajakytkennät siten, että mahdollisimman monella virtayliaallolla on keskenään 180 asteen vaihesiirto. Mikäli jakeluverkossa päämuuntajan jälkeisiä tasasuuntaajalähtöjä on kolme, niiden tasasuuntaajalähtöjen diodien vaihekohtainen avautuminen on hyvä porrastaa 120 asteen vaihesiirtoon päämuuntajan tasaisen kuormittumisen vuoksi. (Aura

& Tonteri 1996a, 426−427; Aura & Tonteri 1996b, 410−411.) Lisäksi käytettäessä kahta kuusipulssista tasasuuntaajalähtöä niiden keskinäinen muuntajakytkentä on järkevää valita 30 asteen vaihesiirtoon viidennen ja seitsemännen yliaallon vähentämiseksi. Tällöin päämuuntajaan vaikuttava kokonaispulssiluku on p = 12. (Elovaara & Haarla 2011, 321.)

25

Kuva 2.3. Erään kuusipulssitasasuuntaajan harmoninen yliaaltovirtasisältö suhteessa tehollisarvoon.

Kuvasta 2.3 voidaan havaita todellisen mittauksen tulokseksi saatu yliaaltovirtasisältö, jossa on myös muita kuin yhtälön 2.19 antamia kerrannaisia. Juurisyitä pohditaan jäljempänä kappaleessa 6.2.

2.4.4 Resonanssitilanteet

Lisättäessä jakeluverkkoon kompensointikondensaattoreita verkkoon muodostuu sarja- ja rinnakkaisresonanssipiirejä, joissa energia värähtelee induktanssin ja kapasitanssin välillä. Piiri on resonanssissa, kun sen jännitteen ja virran välinen vaihesiirto on nolla (Mäkelä et al. 2008, 127). Resonanssitilanteet korostuvat erityisesti yliaaltopitoisissa verkoissa. Tarkastelu on tärkeää sarja- ja rinnakkaisresonanssien ehkäisemiseksi kompensointilaitteiston teknisessä määrittämisessä. (Hietalahti et al. 2006, 65; Hietalahti

& Tarkka 2006, 180.)

Jännite- eli sarjaresonanssissa kyse on induktanssin ja kapasitanssin sarjakytkennästä, jolloin resonanssitaajuudella piirin impedanssi on matala. Tilanne syntyy tarkasteltaessa jakeluverkkoa muuntajan yläjännitepuolelta. Tällöin resonanssitaajuinen yliaaltojännite vähenee yläjännitepuolella mutta aiheuttaa samalla alajännitepuolen jännitteen säröytymistä. Piirin periaatetta havainnollistetaan kuvassa 2.4. Sarjaresonanssia hyödynnetään yliaaltosuodattimissa eli imupiireissä, joilla on esimerkiksi keskijännitekiskostoon liitettäessä jännitettä puhdistava vaikutus resonanssitaajuuden lähellä.

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

THD H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 H23 H24 H25 H26 H27

THDI % r

Harmoninen yliaalto

26

Kuva 2.4. Sarjaresonanssin muodostuminen (Jaatinen 1991, 28).

Muuntajan alajännitepuolella voi syntyä virta- eli rinnakkaisresonanssipiiri verkon induktanssin ja kondensaattorin kapasitanssin välille. Tällöin niiden yli vaikuttava jännite sekä muodostuva impedanssi on suuri. Resonanssipiirissä kulkevien yliaaltovirtojen osuessa resonanssitaajuudelle yliaaltovirrat voimistuvat huomattavasti vaikuttaen samalla kondensaattorin läpi menevään kokonaisvirtaan. Ilmiö on sarjaresonanssia yleisempi sähkönjakeluverkoissa ja virtojen voimistumisen myötä erityisen haitallinen tai jopa laitteistovaurioita aiheuttava. Pienjänniteverkoissa virran vahvistumiselle on esitetty kertoimia 1−5 sekä vastaavasti keskijänniteverkkoon 10−20, riippuen verkon resistanssi/reaktanssisuhteista. Tilannetta havainnollistetaan kuvassa 2.5, jossa verkossa on muuntaja, suuntaaja sekä kompensointikondensaattori. Admittanssi Y on suuntaajan rinnalla oleva taajuuden funktiona muuttuva kuormitus. (Hietalahti et al. 2006, 65, 67;

Jaatinen 1991, 29.)

Kuva 2.5. Rinnakkaisresonanssin muodostuminen (Jaatinen 1991, 29).

27

Muodostuvan piirin resonanssitaajuus voidaan laskea kun tiedetään verkon induktiivinen oikosulkuteho Skv ja kondensaattoripariston kompensointiteho Qc. Oikosulkutehon tulee huomioida myös yliaaltosuodattimen tapauksessa sen kuristimen induktanssin vaikutus, mikä on osa resonanssipiiriä. Yhtälön 2.20 antaessa taajuuden lähelle yliaaltokerrannaisia resonanssin riski on olemassa. (Hietalahti et al. 2006, 66)

jossa

f_r = resonanssitaajuus [Hz]

Skv = verkon induktiivinen oikosulkuteho [MVA]

Q_c = kondensaattorin loisteho [MVAr]

Käytännössä verkon kytkentäkombinaatioita voi olla paljon ja resonanssitilanteiden laskennallinen määrittäminen on vaikeaa. Täsmällisin tulos saavutetaan simuloinnin avulla syöttämällä verkosta mahdollisimman kattava tekninen aineisto. Toinen tapa todeta verkon tila on mitata yliaaltoisuutta ja poikkeamia verkon keskeisistä pisteistä, esimerkiksi teollisuusjakelussa keskijännitetasolta, mahdollisimman edustavasti verkon eri käyttötilanteissa.

2.5 Kompensoinnin määrittäminen

Teollisuusverkoissa kompensointilaitteiston laajuus voi vaihdella paikallisista pienjänniteparistoista suuriin keskijänniteyksiköihin. Valintaan vaikuttavat kompensointitarve ja jakeluverkon tekniset seikat kuormituksineen. Ratkaisuihin vaikuttavia ja huomioitavia tekijöitä ovat muun muassa:

 tarvittava kompensointiteho sekä kompensoitava jännitetaso

 verkon yliaaltopitoisuus

 laite-, ryhmä- tai keskitetty kompensointi

 perustaajuisen kompensoinnin tuottaminen ja/tai yliaaltoisuuden suodatus

 suodattimien kytkentä sarjaan/rinnan ja synkronointi kuormitukseen

 verkon muutostilanteet, kompensoinnin säädettävyys ja resonanssit

 luotettavuus, hankintahinta, huollettavuus, varaosat ja tulevaisuuden tarpeet

28

Kompensointilaite on pienjännitejakelussa tyypillisesti omassa laitekaapissa oleva kondensaattoriyksikkö. Yliaaltopitoisemmassa verkossa kondensaattori varustetaan lisäksi estokeloin resonanssien ehkäisemiseksi. Kytkentä tapahtuu synkronoidusti suurehkon kuorman rinnalle tai keskustasolle. Laitekaappi voi olla varustettu omalla kompensointitehon säätimellä. Kustannuksiltaan kalliimmat aktiivisäätäjät suodattavat yliaaltopitoista verkkoa tarvittaessa nopealla vasteajalla sekä tuottavat samalla perustaajuista loistehoa. (Hietalahti et al. 2006, 48−54.)

Keskijännitetasolla kolmivaiheinen kompensointilaite on yleensä sisä- tai ulkotilassa sisältäen yhden tai useamman kondensaattoriyksikön, kuristimen sekä mahdollisesti vastuksen. Lisäksi tarvitaan mittamuuntajat ja suojareleet sekä kojeistolähtö.

Yliaaltopitoisessa keskijänniteverkossa käytetään yliaaltosuodattimia viritettynä halutuille taajuuksille sekä tarvittaessa laajakaistasuodatinta ylemmälle taajuusalueelle.

Keskijännitetasolle on myös säätimillä varustettuja aktiivikompensaattoreita mutta niiden hankintahinta on selvästi korkeampi. Yleensä aktiivisäätäjät ovat käytössä verkoissa, joissa on suuri loistehovaihtelu tai säädöstä halutaan portaaton. (Hietalahti et al. 2006, 55−64.)

Loisteho on mahdollista tuottaa myös generaattorilla. Tehokertoimen poiketessa arvosta cosφ=1 pätötehon osuus vähenee. Tahtigeneraattorin ylimagnetoinnin avulla voidaan tuottaa kapasitiivista loistehoa verkkoon ja tuotantoa voidaan säädellä magnetointia muuttamalla. Kuitenkin loistehon tuotanto kasvattaa generaattorin häviöitä enemmän suhteessa pätötehon tuotantoon, jolloin hyötysuhde heikkenee. (Aura & Tonteri 1996a, 258; Jaatinen 1991, 50−51.)

Teollisuudessa loistehon tarve voidaan määrittää esimerkiksi laitteen tuotetiedoista hankinnan yhteydessä. Vaihtoehtona on mitata käytössä olevaa jakeluverkkoa sen osa- tai nimellisteholla. Kattava yleiskuva saadaan, kun mitataan 110 kV:n tasosta sekä 110/10 kV:n päämuuntajien jälkeisten keskijänniteverkon lähdöistä. Mittalaite kytketään verkon jännite- ja virtamuuntajien toisiopiirien mittauskäämeihin tai niiden puuttuessa suojauskäämeihin. Mittauskäämien käytön syynä on niiden parempi toistokyky käyttöalueella. Toisiomittauksessa riittää kun mittalaite on vain pienjännitetasolle soveltuva ja täten työ voidaan suorittaa turvallisemmin. Mittalaitteeseen asetetaan mittamuuntajien muuntosuhdearvot sekä oikea jakelujärjestelmä, jolloin saadut lukemat ovat suoraan käytettävissä ilman laskentaa. (Aura & Tonteri 1996a, 86.)

29

Teollisuusverkoissa voi esiintyä tilanne, jossa kompensointi tehdään väärällä verkkokytkennällä, kun liittymän tehotasapaino lasketaan päämuuntajien loistehon summalla. Tällöin esimerkiksi yksi päämuuntajan alaverkko on ylikompensoitu tuottaen kapasitiivista loistehoa toisen päämuuntajan alaverkkoon. Tilanne näyttää kantaverkon liittymäpisteessä hyväksyttävältä (loistehoikkuna) mutta päämuuntajat lisäkuormittuvat väärästä verkkokytkennästä. Kompensointilaitteiden yksikkökoosta riippuen lisäkuorma voi olla useita kymmeniä prosentteja päämuuntajien nimellistehosta.

2.6 Sähkön laatuvaatimukset

Sähkön laatu käsitteenä koostuu teknisestä laadusta, toimitusvarmuudesta sekä toimittamiseen liittyvien palvelujen laadusta. Tekninen laatu koostuu osatekijöistä: a) jännitteen taso, jännitteen hitaat ja nopeat vaihtelut sekä jännite-epäsymmetria b) aaltomuodon vääristymät c) taajuuden poikkeamat d) keskeytykset ja rajoitukset.

(Elovaara & Haarla 2011, 419−421.)

Teollisuusasiakkaan liittyessä 110 kV:n kantaverkkoon suurjännitteelle asetettuja viitteellisiä arvoja on kirjattu SFS-EN-50160 Yleisestä jakeluverkosta syötetyn sähkön jänniteominaisuudet -standardiin. Kantaverkkoyhtiö Fingrid on asettanut tiukempia laatuvaatimuksia niiden painottuessa jännitteen vaihteluun, jännite-epäsymmetriaan sekä välkyntäilmiöön liittyviin seikkoihin. Käytännön yliaaltotasojen arviointi määritetään viikon mittausjakson ajalta kerätyistä 10 minuutin keskiarvoista, joista 99 %:n tulee olla asetettuja raja-arvoja vähäisempiä. Jännite- ja virtaepäsymmetriaan sovelletaan 95 %:n tasoa. (Fingrid Oyj 2015d; SFS 2010, 44).

Taulukko 2.2 listaa harmonisten yliaaltojännitteiden enimmäistasoja 110 kV:n kantaverkkoon liittyjälle. Sulkujen sisälle on merkitty Fingridin sallimat raja-arvot.

Standardista poiketen Fingrid on asettanut jännitteen harmoniselle kokonaissärölle rajan THD < 3 %. Standardissa yksittäisille yliaaltojännitteille ja kokonaissärölle ei ole raja-arvoa mutta sellaisen asettaminen on harkinnassa. Lisäksi yliaallot rajataan 40. kerrannaiseen saakka. (Fingrid Oyj 2015d; SFS 2010, 44).

30

Taulukko 2.2. Harmonisten yliaaltojännitteiden enimmäistaso 110 kV:n verkossa suhteessa perustaajuiseen jännitteeseen (Fingrid Oyj 2015d; SFS 2010, 44).

Parittomat Parilliset

Kolmella jaottomat Kolmella jaolliset

n % n % n %

5 5 (3) 3 3 (3) 2 1,9 (1)

7 4 (2,5) 9 1,3 (1,3) 4 1 (0,7)

11 3 (1,7) 15 0,5 (0,5) 6 0,5 (0,5)

13 2,5 (1,7) 21 0,5 (0,5) 6-24 (>6) 0,5 (0,3) - (17) (1,5) - (>21) (0,3)

- (19) (1,5)

- (23) (0,8)

- (25) (0,8)

- (>25) (0,5)

Koska kantaverkkoon liittyvien asiakkaiden ottoteho on liittymäkohtainen, sallitut virran emissiorajat määritetään liittyjän referenssivirran perusteella. Määritys tehdään suhteessa varattuun siirtokapasiteettiin, tehopohjaisissa liittymissä siirtotehon keskiarvon perusteella yhtälön 2.21 mukaisesti. (Fingrid Oyj 2015d, 6.)

jossa

I_ref = referenssivirta [A]

P_keskl = liittymäsopimuksen pätötehon keskiarvo (PF = 1) U_nim = verkon nimellisjännite [V]

Harmonisille yliaaltovirroille on Fingridin asettamia raja-arvoja, jotka lasketaan referenssivirran avulla. Virran kokonaissäröksi sallitaan 6 %, virran vastakomponentin enimmäisarvoksi 20 % ja vaihevirran psofometriarvoksi 5 A. Psofometrisella virran arvolla kuvataan äänitaajuudelle siirtyvien yliaaltokomponenttien häiritsevyyttä viestiverkkoihin.

Määritys tehdään taajuuspainotuskertoimien avulla huomioiden yliaaltokerrannaiset n = 100 asti yhtälön 2.22 tavoin. Fingridin määrittämät painotuskertoimet esitetään liitteessä 1 (Fingrid 2015d, liite 1).

31

jossa

I_psofv = vaihevirran psofometriarvo [A]

k_psof = painotuskerroin taajuudelle f₁*n

I_n = vaihevirran harmoninen komponentti taajuudella f₁*n [A]

Kuvasta 2.6 havaitaan painotuskertoimien osuvan äänialueelle. Painotus on voimakkaimmillaan noin 500−2500 Hz:n välisellä alueella. Tarvittaessa psofometrinen enimmäisjännite U_psofv saadaan vaihtamalla yhtälön 2.22 virta-arvot jännite-arvoihin.

Kuva 2.6. Psometristen painotuskertoimien kuvaaja (Fingrid 2015d, liite 1).

Epäharmonisille yliaalloille ei toistaiseksi ole asetettu raja-arvoja, koska niiden tasot ovat verrattain pieniä trendin ollessa kasvamaan päin (SFS 2010, 44). Huomattavaa on, vaikka verkko liittymispisteessä täyttäisi asetetut vaatimukset, yliaaltojen haittavaikutus voi esiintyä siirto- tai jakeluverkon muissa osissa (Hietalahti et al. 2006, 35). Särötehoa ei yleensä mitata laskutusmittareilla, jolloin yliaaltoisuusselvitys perustuu liittyjän tai kantaverkkoyhtiön omiin kenttämittauksiin. Mittauksissa havaitut mahdolliset ylitykset toimivat impulssina verkon kehitystoimenpiteisiin. Karkeana muistisääntönä voi pitää verkonhaltijan olevan vastuussa yliaaltojännitteestä ja liittyjän yliaaltovirrasta. (Hietalahti et al. 2006, 46−47.)

0 200 400 600 800 1000 1200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Painotuskerroin Kpsof

Harmonisen yliaallon järjestysluku n

32

Teollisuusverkkojen sisäiseen 1−36 kV:n keskijännitejakeluun sekä alle 1 kV:n pienjännitejakeluun voidaan soveltaa edellä esitetyn standardin suosituksia. Standardi määrittelee jännitteen kokonaissärökertoimeksi THD ≤ 8 % molemmille jännitetasoille.

(SFS 2010, 22, 34.)

Taulukko 2.3. Harmonisten yliaaltojännitteiden enimmäistaso 10 kV:n ja 400 V:n verkossa suhteessa perustaajuiseen jännitteeseen (SFS 2010, 34).

Parittomat Parilliset

Kolmella jaottomat Kolmella jaolliset

n % n % n %

5 6 3 5 2 2

7 5 9 1,5 4 1

11 3,5 15 0,5 6-24 0,5

13 3 21 0,5

17 2

19 1,5

23 1,5

25 1,5

Taulukko 2.3 erittelee sallitut enimmäisarvot harmonisille yliaaltojännitteille. Standardissa mainitaan epäharmonisien yliaaltojen aiheuttava keskijännitetasolla välkyntää tai häiriöitä verkkokäskylaitteisiin, asettamatta tarkkoja raja-arvoja. (SFS 2010, 22, 34.)

33

3 SÄHKÖNJAKELU KEMIKAALITEHTAALLA

Tässä kappaleessa esitellään tutkimuksen kohteena olevan tehtaan sähkönjakeluverkko, prosessin pääkomponentit ja yleisiä tehtaan sähkökäyttöön liittyviä seikkoja. Lisäksi esitellään jakeluverkkoon liitetty vetyvoimalaitos sekä varayhteydet. Kappaleen lopussa käsitellään tulevaisuuden muutostarpeita ja niiden vaikuttavuutta verkonkäyttöön.

Jakeluverkon laitteiden, rakenteiden ja prosessien kuvausta on osittain rajoitettu salassapitoseikkojen vuoksi.

3.1 Rakenne

Tehdas muodostuu NaOH-natriumhydroksidi- (lipeä), NaClO3-natriumkloraatti- (kloraatti) ja AKD-prosesseista (AKD), joista jäljempänä käytetään prosessien lyhennettyjä nimiä.

Tarkasteltaessa rakennetta sähkönjakelun näkökulmasta tehdasalueella on 110/10 kV:n sähköasema päämuuntajineen, joita syötetään kerrallaan toisesta kantaverkon kahdesta 110 kV:n ilmalinjasta. Sähköasemalta 10 kV:n syötöt on kaapeloitu kahteen eri tehdasrakennukseen. Tehdasrakennuksissa on 10 kV:n keskijännitetasoiset katkaisijahallit, jotka syöttävät prosessilähtöjä sekä jakelumuuntajia pienjännitteisiin 400 V:n keskuksiin. Osa jakeluverkon laitteista sijaitsee niitä syöttävän tehdasosion ulkopuolella. Jäljempänä esitettäviin jakelun periaatekuviin 3.1−3.3 on merkitty myös laitteiden fyysinen sijoittuminen. (Kemira Chemicals 2015b.)

Lipeätehtaan 10 kV:n katkaisijahallissa on liitettynä kolme prosessimuuntajaa tasasuuntaajille, neljä jakelumuuntajaa, kolme yliaaltosuodatinta, varayhteys kloraattitehtaalle sekä FC Power Oy:n vetyvoimalaitos. Voimalaitos on tehtaiden läheisyydessä ja tuottaa prosessisähkön lisäksi kaukolämpöä. Lipeätehdas syöttää myös maakaapelilla erillistä pumppaamorakennusta, jossa on oma 10/0,4 kV:n muuntaja.

Sähköasematasoa ja lipeätehtaan jakeluverkkoa on havainnollistettu kuvassa 3.1.

(Kemira Chemicals 2015b.)

34

Kuva 3.1. Sähköaseman ja lipeätehtaan sähkönjakelun periaate (Kemira Chemicals 2015b).

Kloraattitehtaalla on myös keskijännitejakelu, mutta katkaisijahalleja on kaksi N1- ja N2- prosesseille. N1-osioon on liitetty kolme prosessimuuntajaa tasasuuntaajille, kaksi yliaaltosuodatinta ja yksi jakelumuuntaja. Muita lähtöjä ovat pumppaamorakennus (kulku osittain ilmateitse) sekä yhteydet lipeätehtaalle sekä N2-osaan. Kuva 3.2 esittää N1- prosessin jakeluperiaatteen. (Kemira Chemicals 2015b.)

Kuva 3.2. N1-osion sähkönjakelun periaate (Kemira Chemicals 2015b).

35

Samassa rakennuksessa oleva N2-katkaisijahalli syöttää kahta prosessimuuntajaa tasasuuntaajille, kahta yliaaltosuodatinta sekä yhtä jakelumuuntajaa. N2-jakelua on havainnollistettu kuvassa 3.3. (Kemira Chemicals 2015b.)

Kuva 3.3. N2-osion sähkönjakelun periaate (Kemira Chemicals 2015b).

AKD-tuotanto on lipeätehtaan jakelumuuntajien pienjännitesyötössä, koska prosessin suurimmat kuormitukset muodostuvat pien- ja keskitehoisista epätahtimoottoreista.

Kemikaalitehtaan riskienhallintaan kuuluvat poikkeustilanteet, joita varten verkossa ovat myös pienjännitetasoon liitetyt varavoimakoneet. Lisäksi tehdasalueelle tulee keskijännitetasoinen varayhteys, josta on pienjännitesyöttö tehtaan kriittisiin osiin. (Kemira Chemicals 2015b.)